Как из графита получается алмаз

Источник перевод для mixednews – Onriom

Производство искусственных алмазов требует выполнения нескольких сложных условий. Недавно при помощи компьютерного моделирования учёные смогли в мельчайших деталях воссоздать процесс превращения  графита в алмаз.

Производство искусственных алмазов

 

Подпись к изображению:  При помощи новейшего научного метода учёные впервые в точности воспроизвели процесс превращения графита в алмаз.

Переход состоит из нескольких этапов, начиная от образования алмазного «семечка» внутри графита, и заканчивая полной трансформацией в настоящий алмаз под воздействием высокого давления.

Между этими двумя разновидностями естественно формирующегося элементарного углерода (темно-серым графитом и блестящим алмазом) намного больше различий, чем между каждым из них и практически любым другим материалом.

Существенная разница в прочности алмаза и графита  связана, в основном, с  их кристаллической структурой – кубической в случае с алмазом и гексагональной в случае с графитом.

Это различие и делает алмаз  прочнейшим из всех известных материалов, в отличие от относительно мягкого графита. Именно благодаря своей высокой прочности алмазы пользуются спросом не только как драгоценные камни  —  их используют  в промышленности для шлифовки и распиливания особо твердых материалов.

Сложное превращение

Впервые получить алмаз из графита искусственным образом удалось 60 лет назад. Но до производства  в промышленных масштабах дело не дошло.  Дело в том, что необходимыми условиями для его производства являются высокое давление и высокие температуры, процесс этот очень длительный и требует больших энергетических затрат. Он включает в себя принудительное  изменение структуры углерода, изменение расположения его электронов.

Должны сформироваться четыре связи атомов углерода вместо трех, и состояние углерода должно измениться с энергетически «комфортного» до энергетически «некомфортного», плотного состояния. Чтобы это произошло, углерод должен преодолеть сильный энергетический барьер.

Как именно происходит подобная трансформация, и в какой момент углерод  становится алмазом —  до сих пор наука не могла дать внятного ответа на этот вопрос.

Профессор вычислительных наук Высшей технической школы Цюриха и Университета Лугано Мишель Парринелло и его команда, используя метод компьютерного моделирования,  успешно воссоздали процесс трансформации графита в алмаз в виртуальном пространстве.

Упрощение дает ложную картину

В прошлом  ученые пытались смоделировать фазу перехода, используя так называемый «метод Кар-Парринелло».  С помощью этого метода можно приблизительно определить структуру и энергетическое состояние электронов в каждой позиции в ионе и, таким образом, смоделировать ситуацию с разрывом и последующим формированием новых ионных связей.

Метод 25-летней давности был разработан в процессе совместной работы Парринелло с Роберто Каром. «Однако создание точной модели процесса перехода от графита к алмазу обойдется слишком дорого, если учесть необходимость отслеживать огромное количество атомов», — говорит Парринелло.

Исследователи попытались упростить этот метод:  они значительно  сократили используемое при моделировании количество атомов. Но, как утверждает Парринелло, при  подобном моделировании вся фаза трансформации графита выглядит таким образом, будто происходит мгновенно, как по команде, а не поэтапно.

Совсем другую картину удалось получить при помощи нового, недавно разработанного метода моделирования. Используя суперкомпьютер Швейцарского национального суперкомпьютерного центра, учёные вычислили десятки тысяч конфигураций атомов с плавно переходящим энергетическим состоянием.

Это означает, что конфигурации атомов обладают широким спектром возможных энергетических состояний. После того как ученые интерполировали их энергетическое состояние и использовали полученные данные как базис для моделирования, стало очевидно, что сначала формируется алмазное «семечко», которое затем, под влиянием высокого давления, постепенно изменяет свою гексагональную графитную структуру до кубической.

Моделирование фазы трансформации с помощью новейшего метода позволило сделать ещё одно открытие: структурные дефекты в кристаллической решетке графита уменьшают количество барьеров, которые необходимо преодолеть для образования алмазного «семечка»... Поэтому структурные дефекты могут увеличить скорость протекания процесса преобразования.

Этот метод может быть использован везде, где есть необходимость визуализировать фазовые переходы
— подчеркивает Парринелло.


1 балл2 балл3 балла4 балла5 балла (3 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading...Loading...

Понравилась статья?
Поделись с друзьями!

x

Приглашаем к сотрудничеству всех, кто хочет попробовать свои силы в переводе. Пишите.
Система Orphus: Если вы заметили ошибку в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter Система Orphus



Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *